DE102004041656B4

DE102004041656B4 - Phasenregelkreis und Verfahren zum Abgleichen eines Schleifenfilters

Info

Publication number: DE102004041656B4
Application number: DE102004041656A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Märzinger; Werner Dr. Schelmbauer; Thomas Mayer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2024-08-28
Also published as: US7180344B2; DE102004041656A1; US20060076990A1

Abstract

Phasenregelkreis, umfassend:
– einen spannungsgesteuerten Oszillator (6) mit einem Stelleingang (61) und mit einem Signalausgang (62), der einen Regelkreisausgang (62a) des Phasenregelkreises bildet;
– einen Phasenvergleicher (2) mit einem Referenzeingang zur Zuführung eines Referenzsignals (22), mit einem Rückführungseingang (21), der über einen Frequenzteiler (5) unter Bildung eines Rückführungspfades an den Signalausgang (62) des spannungsgesteuerten Oszillators (6) angeschlossen ist, und mit einem Ausgang (23) zur Abgabe eines Stellsignals;
– eine Ladungspumpe (3) zur Abgabe einer aus dem Stellsignal abgeleiteten Steuerspannung, wobei die Ladungspumpe (3) mit einem Steuereingang an den Ausgang (23) des Phasenvergleicher (2) angeschlossen und ausgangsseitig über ein Schleifenfilter (4) mit dem Stelleingang (61) des spannungsgesteuerten Oszillators (6) gekoppelt ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Schleifenfilter (4) einen ersten Ladungsspeicher (C1) und zumindest ein eine Filtercharakteristik des Schleifenfilters (4) veränderndes, abstimmbares Element (C2, C3) umfasst;
– eine Abgleichschaltung (8) vorgesehen ist, die einen Eingang...

Description

Die Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Abgleichen eines Schleifenfilters für einen Phasenregelkreis.
Derartige Phasenregelkreise sind aus der US 6,731,145 B1 bekannt.
Phasenregelkreise, insbesondere für Mobilfunkanwendungen, sind wichtige Bestandteile hochintegrierter Schaltungen. Solche Phasenregelkreise zur Bereitstellungen von frequenzstabilen Signalen sind beispielsweise aus Tietze/Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik", S. 1155-1156, 12. Auflage, Springer 2002 und Mike Curtin et. al. "Phase-Looked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitter – Part 2", Analog Dialogue 33-5, Analog Devices 1999 bekannt.
Bei der Implementierung hochintegrierter Schaltungen besteht häufig das Problem sehr großer Toleranzen in den Bauteilen der einzelnen Schaltelemente. Diese sind teilweise prozessbedingt und lassen sich während einer Entwicklungs- beziehungsweise Designphase nur sehr schwer vorausberechnen. Daher ist es üblich, die Parameterabweichungen der Bauelemente in integrierten Schaltungen schon während einer Entwicklungsphase zu berücksichtigen und gegebenenfalls überdimensioniert zu planen.
In Mobilfunkanwendungen werden Phasenregelkreise zur Bereitstellung eines Oszillatorsignals verwendet. Diese Phasenregelkreise dienen zur Ansteuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators, wobei das Steuersignal über einen Filter dem Stelleingang des spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt wird. Dieses Filter stellt in Phasenregelkreisen häufig eine bestimmende Größe des dynamischen Verhaltens des gesamten Regelkreises dar. Daher ist es von großer Bedeutung, eine bestimmte und gut berechenbare Filtercharakteristik zu gewährleisten. Abweichungen von einer idealen Filtercharakteristik aufgrund von Bauteilschwankungen sind schaltungstechnisch möglichst einzuschränken.
Neben der Möglichkeit, die eingangs erwähnten Bauteiltoleranzen in der Entwicklungsphase des Phasenregelkreises durch entsprechende Überdimensionierungen zu kompensieren, besteht eine andere Möglichkeit in einem Abgleich vor allem der die Filtercharakteristik bestimmenden RC-Glieder. Dabei werden diese Glieder häufig außerhalb der Schaltung angeordnet, um auch in einem späteren Fertigungsschritt einen Abgleich zu ermöglichen. Daraus ergibt sich allerdings ein zusätzlicher Platzaufwand, der der Forderung nach Miniaturisierung und hochintegrierter Schaltungen entgegensteht.
Ein Abgleich wird üblicherweise mit einem internen Referenzglied durchgeführt. Die Referenz kann ebenfalls als hochintegrierte Schaltung ausgeführt werden. Jedoch ist auch hier ein zusätzlicher Platzaufwand nötig, da gerade die das RC-Glied enthaltenden Kondensatoren in gängigen Halbleiterprozessen eine relativ große Fläche einnehmen. Darüber hinaus wurden zusätzliche Strom- und Spannungsquellen für den Betrieb des Referenzgliedes benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Phasenregelkreis anzugeben, der gut integrierbar und darüber hinaus einen Abgleich zur Kompensation von Bauteiltoleranzen mit einfachen Mitteln ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Er findung, ein Verfahren zum Abgleich eines Schleifenfilters für einen Phasenregelkreis anzugeben, welches mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann.
Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bezüglich der Anordnung wird die Aufgabe gelöst durch einen Phasenregelkreis, der einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasenvergleicher sowie eine Ladungspumpe umfasst. Der Phasenvergleicher ist mit einem Rückführungseingang über einen Frequenzteiler unter Bildung eines Rückführungspfades an den Regelkreisausgang angeschlossen. Die Ladungspumpe ist eingangsseitig an den Phasenvergleicher angeschlossen und ausgangsseitig über ein Schleifenfilter an einen Stelleingang des spannungsgesteuerten Oszillators gekoppelt und zur Abgabe einer Steuerspannung aus dem Stellsignal ausgeführt. Erfindungsgemäß umfasst dabei das Schleifenfilter einen ersten Ladungsspeicher und zumindest ein abstimmbares Element, welches zu einer Veränderung einer Filtercharakteristik des gesamten Schleifenfilters ausgeführt ist. Eine Abstimmung des abstimmbaren Elementes des Schleifenfilters ändert daher die Filtercharakteristik des Schleifenfilters. Weiterhin ist eine Abgleichschaltung vorgesehen, die mit dem zumindest einem weiteren Element des Schleifenfilters gekoppelt ist und für einen Vergleich einer Zeitdauer eines Ladevorgangs des Schleifenfilters mit einer Referenzzeitdauer ausgebildet ist. Sie ist so zu einem Vergleich der Ladezeit des ersten Ladungsspeichers des Schleifenfilters mit einer Referenzzeit ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Schaltung misst folglich die Schleifenfiltercharakteristik direkt mit Hilfe der Ladungspumpe. Dadurch kann vorteilhaft ein zusätzliches Referenzglied sowie eine zusätzliche Stromquelle eingespart und der Platzverbrauch reduziert werden. Ein Abgleich erfolgt erfindungsgemäß nicht mehr durch einen direkten Vergleich mit einem Referenzglied, sondern über eine Messung des Schleifenfilters selbst. Toleranzen in den Bauteilen des Schleifenfilters können so direkt ausgeglichen werden. Ein eventuell auftretender zusätzlicher Fehler aufgrund einer nicht idealen Übereinstimmung zwischen einem Referenzglied und dem tatsächlichen Schleifenfilter wird ebenfalls umgangen.
Die vorliegende Schaltung ist besonders vorteilhaft, wenn alle die Übertragungscharakteristik bestimmende Elemente des Schleifenfilter um den gleichen Prozentsatz abweichen. Es ist dann zweckmäßig, auch den ersten Ladungsspeicher mit einem abstimmbaren Element auszubilden. Dadurch ist es möglich, alle Elemente des Schleifenfilters in gleichem Maße abzustimmen und so eine Form des Frequenzganges konstant zu halten.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abgleichschaltung zur Ableitung der Ladezeit des Schleifenfilters durch einen Vergleich einer aus einer über den Ladungsspeicher des Schleifenfilters abfallenden Spannung mit einer Referenzspannung ausgebildet. Alternativ dazu ist die Abgleichschaltung mit dem Ausgang des Schleifenfilters gekoppelt, um so eine ausgangsseitig abgreifbare Spannung für den Vergleich zu verwenden. Die Abgleichschaltung ermittelt so die Ladezeitdauer durch einen Spannungsvergleich und verändert mit Hilfe des zumindest einen weiteren Elementes des Schleifenfilters die Filtercharakteristik derart, dass bauteilbedingte Streuungen kompensiert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Abgleichschaltung eine schaltbare Referenzladungspumpe zur Abgabe einer Referenzspannung oder auch eine Referenzspannungsquelle. Die Referenzladungspumpe ist dabei mit einem ersten Eingang eines Vergleichers gekoppelt, deren anderer Eingang an einen Ausgang des Schleifenfilters angeschlossen ist.
Ebenfalls in einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das zumindest ein abstimmbares Element des Schleifenfilters zumindest einen zu dem ersten Ladungsspeicher parallel angeordneten und durch die Abgleichschaltung schaltbaren zweiten Ladungsspeicher. Bevorzugt ist das Schleifenfilter mit einer Anzahl parallel angeordneter Ladungsspeicher ausgebildet, die jeweils durch einen Schalter parallel zu dem ersten Ladungsspeicher schaltbar sind.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine abstimmbare Element des Schleifenfilters mit einem RC-Glied ausgebildet. Das RC-Glied umfasst einen abstimmbaren Widerstand und einen zweiten Ladungsspeicher, wobei der Widerstand mit einem Abstimmanschluss an die Abgleichschaltung angeschlossen ist. In diesen Ausführungsformen ist das Schleifenfilter so zu einer Veränderung seiner Filtercharakteristik ausgebildet, indem die Zeitkonstante für einen Ladevorgang von RC-Gliedern oder Ladungsspeichern veränderbar ist. Eine solche Veränderung der Zeitkonstante kann durch Zubeziehungsweise Wegschalten parallel geschalteter Ladungsspeicher oder einer Veränderung des den Ladungsstrom vorgebenden Widerstandes erfolgen.
Bevorzugt unterscheiden sich der erste und der zumindest eine zweite schaltbare Ladungsspeicher in ihren Kapazitäten um den Faktor zwei. Diese binäre Gewichtung zuschaltbarer Kapazitäten erlaubt eine Minimierung der Abweichung der einzelnen Kapazitäten untereinander, da jede einzelne Kapazität durch eine Parallelschaltung der gleichen Basiskapazität realisiert werden kann. Bevorzugt sind diese Kapazitäten als Kondensatoren ausgebildet.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist ein zweiter durch die Abgleichschaltung steuerbarer Schalter vorgesehen. Dieser dient zum Entladen des ersten Ladungsspeichers und des zumindest einen zweiten Ladungsspeichers. Er ist somit zwischen einem ersten Anschluss des Ladungsspeichers und einem Bezugspotential angeordnet und durch die Abgleichschaltung ansteuerbar ausgeführt.
Bezüglich des Verfahrens zum Abgleichen eines Schleifenfilters wird die Aufgabe gelöst u.a. durch die Schritte:

– Vorsehen eines Schleifenfilters, das zumindest einen Ladungsspeicher umfasst;
– Zuführen eines Ladestroms an das Schleifenfilter;
– Ermitteln einer Zeitdauer für einen Ladevorgang des Ladungsspeichers;
– und Verändern einer Filtercharakteristik in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer.

Folglich wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Filtercharakteristik des Schleifenfilters mit Hilfe der Ladezeit des Schleifenfilters direkt selbst vermessen. Bauteiltoleranzen eines Schleifenfilters werden so direkt ermittelt. Eine Veränderung der Filtercharakteristik in Abhängigkeit der Ladezeit erfolgt derart, dass die Schwankungen in den Bauteilen des Schleifenfilters kompensiert werden.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für den Schritt des Ermittelns einer Ladezeit vorgesehen, als erstes eine Referenzspannung zu erzeugen. Sodann wird die am Ausgang des Schleifenfilters abgegebene Spannung mit der Referenzspannung R verglichen, und ein Signal erzeugt, wenn die abgegebene Spannung die Referenzspannung erreicht beziehungsweise überschreitet. Die Zeit, die seit Beginn des Zuführens des Ladestroms bis zum Detektieren des Signals vergangen ist, bezeichnet die Ladezeit. Diese wird mit einer Referenzzeit verglichen und abhängig davon eine Veränderung der Filtercharakteristik durchgeführt.
Alternativ zu diesem Schritt des Ermittelns, wird in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung der Schritt des Ermittelns durch ein Vergleichen einer am Ausgang des Schleifenfilters abgegebenen Spannung mit der Referenzspannung durchgeführt. Nach einer bestimmten Zeit wird der Vergleichswert ermittelt. Da diese Zeit vorgegeben ist, ist das Vergleichsergebnis abgängig von den bauteilbedingten Toleranzen des Schleifenfilters, die die Ladezeit und damit die am Ausgang abgegebene Spannung vorgeben.
Bevorzugt wird eine Zeitkonstante für den Ladevorgang erhöht, wenn die Ladezeit geringer als die Referenzzeit ist oder alternativ die am Ausgang des Schleifenfilters abgegebene Spannung geringer als die Referenzspannung ist. Andererseits wird in einer Weiterbildung des Verfahrens eine Zeitkonstante für den Ladevorgang verringert, wenn die Ladezeit größer als die Referenzzeit oder alternativ die am Ausgang des Schleifenfilters abgegebene Spannung größer als die Referenzspannung ist.
Eine Veränderung der Filtercharakteristik erfolgt in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein Hin zu- beziehungsweise ein Wegschalten von Ladungsspeichern. Diese verändern die Ladezeit und damit die Filtercharakteristik. Alternativ dazu kann auch der den Ladestrom vorgebende Verbraucher verändert werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Phasenregelkreises,
2 einen Ausschnitt des Ausführungsbeispiels gemäß 1,
3 ein Ausführungsbeispiel eines abstimmbaren Kondensators,
4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Phasenregelkreis, der für seinen Abgleich die Filterladezeit ermittelt und diese mit einer Referenzzeit vergleicht. Der hier dargestellte Phasenregelkreis kann bevorzugt als integrierte Schaltung in einem Halbleiterkörper implementiert werden. Der Regelkreis lässt sich in verschiedenen Anwendungen einsetzen, beispielsweise für Mobilfunkanwendungen zur Bereitstellung eines besonders frequenzstabilen Lokaloszillatorsignals.
Der erfindungsgemäße Phasenregelkreis enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 6, mit einem Stelleingang 61 und einem Ausgang 62. Der Ausgang 62 des spannungsgesteuerten Os zillators 6 bildet gleichzeitig auch den Regelausgang 62a. Der Stelleingang 61 dient zur Zuführung eines Stellsignals für die Abstimmung und damit die Frequenzeinstellung des Ausgangssignals am Ausgang 62.
Der Ausgang 62 ist weiterhin unter Bildung eines Rückführungspfades mit einem Frequenzteiler 5 gekoppelt. Dieser teilt das vom spannungsgesteuerten Oszillator 6 abgegebene Signal in seiner Frequenz und führt ein frequenzgeteiltes Signal einem Rückführungseingang 21 eines Phasendetektors 2 zu.
Der auch als Phasenkomparator bezeichnete Phasendetektor 2 enthält einen zweiten, als Referenzeingang 22 bezeichneten Eingang, dem ein Referenzsignal von einem Referenzoszillator 7 zugeführt wird. Der Phasenkomparator 2 ist zu einem Vergleich der beiden Phasen der am Referenzeingang 22 und am Rückführungseingang 21 anliegenden Signale ausgebildet. Abhängig von der Phasendifferenz der beiden Signale erzeugt der Phasendetektor 2 ein Stellsignal, das er an seinem Ausgang 23 abgibt. Der Ausgang ist mit einer Ladungspumpe 3 verbunden. Mit Hilfe dieses Stellsignals erzeugt die Ladungspumpe 3 eine Steuerspannung, die über ein Schleifenfilter 4 wieder dem Stelleingang 61 des spannungsgesteuerten Oszillators 6 zugeführt wird.
Der Ausgang 41 des Schleifenfilters 4 ist mit dem Stelleingang 61 des Oszillators 6 verbunden. Weiterhin ist ein Abgriff vorgesehen, der über einen Schalter 7 den Ausgang 41 des Schleifenfilters 4 auch mit einem Eingang 811 einer Abgleichschaltung 8 koppelt. Der Schalter 7 ist hier so angeordnet, dass der Signalpfad zwischen Ausgang 41 und Stelleingang 61 unabhängig von der Schalterstellung des Schalters 7 nicht getrennt wird. Der Schalter kann so ohne hohe Anforderungen an die Qualität vorgesehen werden. Alternativ dazu kann der Schalter 7 auch in dem Signalpfad angeordnet sein, und in einem ersten Betriebszustand den Ausgang 41 mit dem Stelleingang 61 und in einem zweiten Zustand den Ausgang 41 mit dem Eingang 811 koppeln.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel koppelt der Schalter 7 in einem Betriebszustand den Ausgang 41 des Schleifenfilters 4 auf den Eingang 811 der Abgleichschaltung 8. Die Abgleichschaltung 8 weist einen Stellausgang 89 auf, der mit einem Stelleingang 42 des Schleifenfilters 4 verbunden ist.
Aufgrund bauteilbedingter Schwankungen innerhalb des Schleifenfilters 4 ändert sich eine Filterübertragungscharakteristik des Schleifenfilters 4. Beispielsweise erhöht oder reduziert sich die Grenzfrequenz des Schleifenfilters. Die Übertragungscharakteristik ist jedoch eine bestimmende Größe für das dynamische Verhalten des Phasenregelkreises. Es ist daher notwendig, dieses durch geeignete Maßnahmen zu bestimmen, um so eventuelle Abweichungen zu kompensieren und die gewünschten Hochfrequenzparameter für das Ausgangssignal am Regelkreis zu erhalten. Dazu ist die Abgleichschaltung 8 vorgesehen, die für einen Abgleich des Schleifenfilters verwendet wird.
Eine detailliertere Ausgestaltungsform des Schleifenfilters 4 mit der Abgleichschaltung 8 zeigt 2. Wirkungs- beziehungsweise funktionsgleiche Bauelemente tragen die gleichen Bezugszeichen.
Das Schleifenfilter 4 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 ist mit seinem Eingang 43 zwischen einen Abgriffknoten der Ladungspumpenschaltung 3 und einem Widerstand R1 geschaltet. Der zweite Anschluss des Widerstandes R1 ist an das Massepotential geführt. Die Ladungspumpenschaltung 3 erzeugt einen Ladungspumpenstrom I_CP, der durch den als Strom-/Spannungswandler arbeitenden Widerstand R1 in das Stellsignal transformiert wird. Weiterhin ist der Anschluss 43 über die Widerstände R2 und R3 mit dem Ausgang 41 des Schleifenfilters 4 verbunden.
Zwischen Anschluss 43 und Widerstand R2 ist ein Abgriff vorgesehen, der zu einem Anschluss eines abstimmbaren Kondensators C1 und zu einem Schalter 44 führt. Ein weiterer Knoten ist zwischen den Widerständen R2 und R3 des Schleifenfilters 4 gebildet, und führt zu einem zweiten abstimmbaren Kondensator C2 und einem zweiten Schalter 45. Letztlich ist ein dritter abstimmbarer Kondensator C3 sowie ein dritter Schalter 46 mit einem Anschluss an den Ausgang 41 des Schleifenfilters 4 angeschlossen.
Die beiden Widerstände R2 und R3 sowie die abstimmbaren Kondensatoren C1 bis C3 bilden einen Tiefpassfilter dritter Ordnung. Darüber hinaus bildet jeder Kondensator mit einem Widerstand ein RC-Glied mit einer Tiefpasscharakteristik. Die jeweils anderen Anschlüsse der Kondensatoren C1 bis C3 sind an das Massepotential angeschlossen. In gleicher Weise sind auch die anderen Anschlüsse der Schalter 44, 45 und 46 mit dem Massepotential M verbunden. Die Abstimmeingänge der Kondensatoren C1, C2 und C3 sind an den Stelleingang 42 des Schleifenfilters 4 angeschlossen. Ebenso werden auch die Schalter 44 bis 46 von Signalen angesteuert, die dem Stelleingang 42 zugeführt werden.
Der Stelleingang 42 des Schleifenfilters 4 ist mit den Ausgängen 83 und 86 einer Schaltungslogik 88 verbunden. Diese Schaltungslogik ist über weitere Eingänge 87 äußere Parameter zuführbar, die weitere Funktionen der Schaltungslogik 88 für den Abgleichvorgang einstellen. Beispielsweise sind dies zusätzliche Korrekturfaktoren für die Messzeit, oder auch eine manuelle Steuerung der Schalter der abstimmbaren Kondensatoren oder der beiden Ladungspumpen. Diese zusätzlich übergebenen Parameter können zur Verifikation bzw. zu einer Veränderung der Abgleichparameter genutzt werden. Zusätzlich wird der Schaltungslogik ein Taktsignal zugeführt, von dem beispielsweise die Messzeit abgeleitet ist.
Die Schaltungslogik 88 enthält weiterhin die Ausgänge 84 und 85, die mit den Schaltern 33 beziehungsweise 31 verbunden sind. Die Schalter 33 und 31 steuern und aktivieren die Ladungspumpen 3 und 32. Die Ladungspumpe 32 bildet eine Referenzladungspumpe und wird für die Erzeugung eines Referenzspannungssignals während des Abgleichvorgangs benötigt. Dazu ist der Ausgang der Referenzladungspumpe 32 mit einem Referenzwiderstand R_ref verbunden. Ein Abgriff zwischen dem Ausgang der Referenzladungspumpe 32 und dem Widerstand R_ref führt zu dem invertierenden Eingang "–" eines Komparators 81. Der nicht invertierende Eingang "+" bildet den Signaleingang 811, welcher mit dem Ausgang 41 des Schleifenfilters 4 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 81 ist an einen Signaleingang 82 der Logikschaltung 88 geführt.
Für einen Abgleich des Schleifenfilters 4 wird nun die Zeitdauer bestimmt, die ein Ladevorgang der Ladungsspeicher des Schleifenfilters mit einem Ladestrom I_CP benötigt. Daraus wird ein Steuersignal für die Kondensatoren der C1 bis C3 zur Veränderung der Filterübertragungscharakteristik erzeugt.
Wenn die Filterübertragungscharakteristik den Vorgaben entspricht, ist der Abgleich abgeschlossen und bauteilbedingte Schwankungen kompensiert.
Dazu wird in einem ersten Schritt der in 1 dargestellte Schalter 7 geschlossen, so dass der Ausgang 61 auf den Eingang 811 geschaltet ist. Dieser Betriebszustand ist im Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt. In einem ersten Schritt müssen alle Kondensatoren C1 bis C3 entladen werden. Dazu werden die in den einzelnen abstimmbaren Kondensatoren enthaltenen Kondensatoren hinzugeschaltet und die Schalter 44 bis 46 geschlossen. Nach einiger Zeit werden die Schalter wieder geöffnet und die abstimmbaren Kondensatoren C1 bis C3 auf einen Kapazitätswert eingestellt. Bevorzugt ist dies ein Wert, der durch Zuschalten des jeweils größten Einzelkondensators in den abstimmbaren Kondensatoren erreichbar ist. Es werden immer alle abstimmbaren Kondensatoren abgestimmt und entladen. Das Schleifenfilter 4 besitzt nun eine bestimmte Übertragungscharakteristik, die unter anderem von der Gesamtkapazität der abstimmbaren Kondensatoren abhängig ist.
Danach schließt die Logik 88 die Schalter 33 und 31 für die Referenzladungspumpe 32 und die Ladungspumpe 3. Am invertierenden Eingang "–" des Komparators 81 liegt nun ein Referenzspannungssignal an, welches sich aus dem Referenzstrom I_CP der Referenzladungspumpe 32 und dem Referenzwiderstand R_ref ergibt.
Der von der Ladungspumpe 3 kommende Ladestrom I_CP lädt nun die abstimmbaren Kondensatoren C1 und C2. Dadurch erhöht sich die über die Kondensatoren C1 und C2 abfallende Spannung, was zu einem Spannungsanstieg am Eingang 811 und dem nicht invertierenden Eingang "+" des Komparators 81 führt.
Nach einer durch die Logik 88 vorgegebenen Zeit wird das Ausgangssignal des Komparators 81 von der Logik 88 ermittelt. Abhängig vom diesem Ergebnis können nun weitere Kondensatoren hinzu- oder diese vom Schleifenfilter weggeschaltet oder eine Abstimmung und eine Veränderung der Kapazität der Kondensatoren C1 und C2 vorgenommen werden. Dazu werden vorher alle abstimmbaren Kondensatoren wieder entladen.
Wenn beispielsweise das vom Komparator 81 abgegebene Signal eine logische 1 darstellt, also die am nicht invertierenden Eingang "+" anliegende Spannung größer ist als die Referenzspannung am invertierenden Eingang "–", so bedeutet dies, dass die Filterladezeit zu schnell ist. Die Zeitkonstante des Schleifenfilters ist demnach zu gering oder die Gesamtkapazität des Schleifenfilters zu klein. Dies folgt aus der Überlegung, dass mit gleichbleibend aufließender Ladung, die über die abstimmbaren Kondensatoren C1 bis C3 abfallende Spannung lediglich von der Kapazität der Kondensatoren abhängt.
Wenn daher nach der von der Logikschaltung 88 vorgegebenen Zeitspanne ein positives Signal am Eingang 82 anliegt, muss die Logikschaltung 88 die Gesamtkapazität erhöht werden. Dieser folgt durch Zuschalten weiterer Kondensatoren oder allgemein durch Erhöhung der Kapazität.
Ist im umgedrehten Fall die Filterladezeit zu langsam, bedeutet dies eine zu große Gesamtkapazität des Schleifenfilters. Das Ausgangssignal des Komparators 81 ist dann eine logische 0. Daher trennt in einem solchen Fall die Logikschaltung 88 durch ein entsprechendes Steuersignal am Ausgang 86 einige der Kondensatoren der abstimmbaren Kapazitäten C1 bis C3 vom restlichen Schleifenfilter und erniedrigt somit die Gesamtkapazität.
Der Vorgangs kann wiederholt werden, um einen besseren Abgleich zu erhalten. Dazu ist es nötig, die Kondensatoren C1 bis C3 zu entladen, damit die Ladezeit des Schleifenfilters erneut ermittelt werden kann. Die Logikschaltung 88 schließt über ein Steuersignal am Ausgang 83 die Schalter 44, 45 und 46. Die Kondensatoren C1 bis C3 werden wieder entladen. Gleichzeitig ist natürlich auch der Schalter 31 geöffnet, so dass die Ladungspumpe keinen Ladestrom und damit einen Kurzschluss erzeugt. Nach Entladen der Kondensatoren werden die Schalter 44 bis 46 wieder geöffnet und die Ladezeit des Schleifenfilters mit der geänderten Filtercharakteristik wird erneut ermittelt.
Dieser Vorgang kann mehrere Male wiederholt werden, bis beispielsweise die Logikschaltung 88 zum ersten Mal einen Wechsel des logischen Zustands des am Eingang 82 anliegenden Signals detektiert. Ein solcher Wechsel ist gleichbedeutend mit einem Wechsel von einer zu schnellen auf eine zu langsame oder von einer zu langsamen auf eine zu schnelle Filterladezeit. Der dann noch vorhandene Fehler liegt in der Größenordnung der letzten hinzugeschalteten beziehungsweise weggeschalteten Kapazität.
Durch eine entsprechende binäre Gewichtung der Kondensatoren C1 bis C3 kann dieser Fehler minimiert werden. Ein Ausführungsbeispiel eines dieser Kondensatoren C1 bis C3 mit veränderbarer Kapazität zeigt 3. Darin ist eine Anzahl Kondensatoren C11, bis C14 parallel geschaltet. Der Kondensator C11 ist als feste Kapazität C_fix gewählt, während die Kondensatoren C12 bis C14 durch Schalter C121 bis C141 parallel zu dem Kondensator C11 schaltbar angeordnet sind. Die Schalter C121 bis C141 sind bevorzugt als Transmission Gates oder bevorzugt als Feldeffekttransistoren ausgebildet.
Die Kapazität der Kondensatoren C12 bis C14 beträgt jeweils das Doppelte der vorangegangenen Kapazität. Es erfolgt somit eine binäre Gewichtung der einzelnen Kondensatoren, wobei ein jeder Kondensator C12 bis C14 durch eine Anzahl gleicher Basiskondensatoren realisiert ist. Dadurch ist eine Abweichung der einzelnen Kondensatoren C12 bis C14 untereinander minimiert. Gleichzeitig ermöglicht die Ausgestaltung einer binären Gewichtung eine besonders einfache und sehr genaue Auflösung für die Bestimmung der Ladezeit und damit der Filtercharakteristik des Schleifenfilters. Die Schalter C121 bis C141 werden durch entsprechende Signale zu C110 bis C130 angesteuert, die am Stelleingang 42 des Schleifenfilters 4 anliegen.
Natürlich ist auch eine andere Ausgestaltung einer veränderbaren Kapazität denkbar. So lassen sich beispielsweise kontinuierlich veränderbare Kapazitäten einsetzen, wobei das Stellsignal durch eine geeignete Tuning-Spannung vorgegeben ist. Kontinuierlich veränderbare Kapazitäten sind beispielsweise durch Varaktordioden implementierbar.
Eine Änderung der Zeitkonstante und damit der Ladezeit und der Filtercharakteristik des Schleifenfilters 4 ist ebenso durch eine Änderung der Werte der Widerstände R2 und R3 möglich. Die Widerstände wären dann als Potentiometer oder auch als wertdiskretes Widerstandsnetzwerk auszubilden.
Alternativ zu der oben vorgestellten Vorgehensweise eines mehrmaligen Wiederholens der Bestimmung der Filterladezeit ist ebenso möglich, aus der Differenz der vom Schleifenfilter abgegebenen Spannung und der Referenzspannung auf die noch hinzu oder wegzuschaltende Kapazität zu schließen. Abhängig von der Spannungsdifferenz wird so nicht nur ein Kondensator hinzu oder weggeschaltet, sondern mehrere. Dabei wird berechnet, wie hoch eine Kapazitätsänderung sein müsste, um die Spannungsdifferenz so klein wie möglich zu machen. Diese Kapazitätsänderung wird nach der ersten Bestimmung der Ladezeit vorgenommen. Dadurch wird eine deutlich schnellere Abgleichgeschwindigkeit erreicht, da die Anzahl der Abgleich- und Bestimmungsvorgänge reduziert wird.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt S1 wird der erfindungsgemäße Phasenregelkreis für den Abgleich vorbereitet. Dazu wird unter anderem der Ausgang 41 auf den Eingang 811 der Abgleichschaltung 8 geschaltet. Ebenso zweckmäßig ist es, eine Initialisierung durch entsprechendes Hinzu- beziehungsweise Wegschalten der Kondensatoren in Schleifenfilter 4 vorzusehen. Weiterhin werden alle Kondensatoren entladen.
In Schritt S2 werden die Schalter 31 und 33 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 geschlossen und die Kondensatoren des Schleifenfilters aufgeladen. Das Aufladen erfolgt durch Zuführen eines Ladestroms, der von der Ladungspumpe 3 bereitgestellt wird. Somit wird direkt die Ladungspumpe 3, die ebenfalls fehlertolerante Bauelemente aufweisen kann, direkt für die Ermittlung der Ladezeit und damit der Filtercharakteristik des Schleifenfilters verwendet.
In Schritt S3 wird die am Ausgang des Schleifenfilters 4 abfallende Spannung mit einer Referenzspannung verglichen. Die am Ausgang des Schleifenfilters 4 abfallende Spannung ist abhängig von der Gesamtkapazität der Kondensatoren innerhalb des Schleifenfilters 4 und der zugeführten Ladung während des Ladevorgangs. Wenn die am Ausgang des Schleifenfilters 4 abfallende Spannung einen von durch die Referenzspannung vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird ein Signal abgegeben. Dadurch ist es möglich, die Zeitdauer zu ermitteln, die seit Beginn des Ladevorgangs vergangen ist. Diese Zeitdauer wird mit einer Referenzzeitdauer verglichen. Ist die Zeitdauer größer als die Referenzzeitdauer, so bedeutet dies, dass die Gesamtkapazität des Schleifenfilters zu groß ist. Die Filterladezeit ist somit zu lang.
Sodann wird in Schritt S7 die Gesamtkapazität des Schleifenfilters 4 reduziert. Dies kann beispielsweise durch Wegschalten zumindest eines Kondensators erfolgen. In Schritt S88 wird die Ladungspumpe 3 abgeschaltet beziehungsweise vom Eingang des Schleifenfilters getrennt und die Kondensatoren wieder entladen. Das Verfahren kann nun mit einer geringen Kapazität des Schleifenfilters in Schritt S2 wiederholt werden.
Ergibt hingegen der Vergleich der ermittelten Zeit mit der Referenzzeit, dass die ermittelte Zeit geringer ist als die Referenzzeit, so ist die Gesamtkapazität des Schleifenfilters zu klein beziehungsweise die Filterladezeit zu schnell. Folglich wird in Schritt S6 die Gesamtkapazität des Schleifenfilters erhöht, beispielsweise durch Hinzuschalten von einem weiteren Kondensator. Auch dann werden die Kondensatoren wieder entladen und das Verfahren in Schritt S2 wiederholt.
Alternativ zu dieser Ausgestaltungsform, bei der die Ladezeit ermittelt und mit einer Referenzzeit verglichen wird, kann ebenfalls in Schritt S3 die am Ausgang des Schleifenfilters abfallende Spannung mit der Referenzspannung nach einer bestimmten und fest vorgegebenen Zeitdauer verglichen werden.
Somit ist in Schritt S3 eine bestimmte Zeit vorgegeben, und es wird ermittelt, ob die am Ausgang des Schleifenfilters abfallende Spannung nach der vorgegebenen Zeitspanne größer beziehungsweise kleiner als die Referenzspannung ist. Ist die Referenzspannung in Schritt S4 kleiner als die am Ausgang abfallende Spannung, so wird das Verfahren mit Schritt S7 fortgesetzt, indem die Kapazität erhöht wird.
Wenn hingegen die Referenzspannung größer als die am Ausgang des Schleifenfilters abfallende Spannung ist, so bedeutet dies eine zu große Gesamtkapazität für das Schleifenfilter und damit eine zu langsame Filterladezeit, und das Verfahren wird mit Schritt S6 fortgeführt.
Das Verfahren kann solange wiederholt werden, bis ein Optimum erreicht ist. Dies ergibt sich beispielsweise durch ein anderes Ergebnis des Vergleichs in Schritt S4. Letztlich wird dann das Schleifenfilter 4 mit diesen Einstellungen wieder mit dem Stelleingang des spannungsgesteuerten Oszillators 6 verbunden.

1: Phasenregelkreis
2: Phasenkomparator
3: Ladungspumpe
4: Schleifenfilter
5: Frequenzteiler
6: Spannungsgesteuerter Oszillator
7: Referenzoszillator
8: Abgleichschaltung
21: Rückführungseingang
22: Referenzeingang
43: Stelleingang
41: Stellausgang
61: Stelleingang
62, 62a: Oszillatorsignalausgang
83, 86, 89: Steuersignalausgang
42: Steuersignaleingang
31, 33, 44, 45, 46: Schalter
32: Referenzladungsquelle
R_ref, R1, R2, R3: Widerstände
C1, C2, C3: Schaltbare Kapazitäten
C11, C12, C13, C14: Kondensatoren
C121, C131, C141: Schalter
81: Vergleicher
82: Signaleingang
S1 bis S8: Verfahrensschritte

Claims

Phasenregelkreis, umfassend: – einen spannungsgesteuerten Oszillator (6) mit einem Stelleingang (61) und mit einem Signalausgang (62), der einen Regelkreisausgang (62a) des Phasenregelkreises bildet; – einen Phasenvergleicher (2) mit einem Referenzeingang zur Zuführung eines Referenzsignals (22), mit einem Rückführungseingang (21), der über einen Frequenzteiler (5) unter Bildung eines Rückführungspfades an den Signalausgang (62) des spannungsgesteuerten Oszillators (6) angeschlossen ist, und mit einem Ausgang (23) zur Abgabe eines Stellsignals; – eine Ladungspumpe (3) zur Abgabe einer aus dem Stellsignal abgeleiteten Steuerspannung, wobei die Ladungspumpe (3) mit einem Steuereingang an den Ausgang (23) des Phasenvergleicher (2) angeschlossen und ausgangsseitig über ein Schleifenfilter (4) mit dem Stelleingang (61) des spannungsgesteuerten Oszillators (6) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass – das Schleifenfilter (4) einen ersten Ladungsspeicher (C1) und zumindest ein eine Filtercharakteristik des Schleifenfilters (4) veränderndes, abstimmbares Element (C2, C3) umfasst; – eine Abgleichschaltung (8) vorgesehen ist, die einen Eingang (811) umfasst, der mit einem Ausgang (41) des Schleifenfilters (4) gekoppelt ist; – die Abgleichschaltung (8) ein Vergleichsmittel (81) für einen Vergleich einer an dem Eingang (811) anliegenden Spannung mit einer Referenzspannung umfasst; – die Vergleichsschaltung (8) zu einem Vergleich einer Zeitdauer zumindest eines Ladevorgangs des ersten Ladungsspei chers (C1) des Schleifenfilters (4) mit einer Referenzzeitdauer ausgebildet ist und mit dem zumindest einen abstimmbaren Element (C2, C3) für eine Veränderung der Filtercharakteristik des Schleifenfilters (8) in Abhängigkeit des Vergleichs gekoppelt ist.
Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgleichschaltung (8) eine schaltbare Referenzladungspumpe (32) zur Abgabe einer Referenzspannung umfasst, die mit einem ersten Eingang (–) des Vergleichsmittels (81) gekoppelt ist, deren anderer Eingang (+) an den Ausgang (41) des Schleifenfilters (4) angeschlossen ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel (81) eine Komparatorschaltung umfasst.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine abstimmbare Element (C2, C3) des Schleifenfilter (4) zumindest einen zu dem ersten Ladungsspeicher (C1) parallel angeordneten und durch die Abgleichschaltung (8) in seiner Kapazität abstimmbaren zweiten Ladungsspeicher (C2, C3) umfasst.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abstimmbare Element (C2, C3) des Schleifenfilters (4) ein RC-Glied mit einem abstimmbaren Widerstand und einem zweiten Ladungsspeicher umfasst.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (4) einen Abstimmeingang (42) zur Zuführung eines Abstimmsignals zur Abstimmung des abstimmbaren Elementes (C2, C3) aufweist, der mit einem Abstimmausgang (89) der Abgleichschaltung (8) verbunden ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine abstimmbare zweite Ladungsspeicher (C2, C3) zumindest zwei parallel geschaltete Ladungsspeicher (C12, C13, C14) umfassen, die über jeweils einen in Reihe zu den Ladungsspeichern (C12, C13, C14) angeordneten Schaltern miteinander gekoppelt sind.
Phasenregelkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei parallel angeordneten Ladungsspeicher (C12, C13, C14) sich in ihrer Kapazität um den Faktor 2 unterscheiden.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Abgleichschaltung (8) steuerbarer zweiter Schalter (44, 45, 46) zum Entladen des ersten Ladungsspeicher (C1) und/oder des zumindest einen abstimmbaren Elements (C2, C3) vorgesehen ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ladungsspeicher (C1) mit einem in seiner Kapazität abstimmbaren Element ausgebildet ist, das mit der Abgleichschaltung gekoppelt ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (41) des Schleifenfilters (4) über eine Schaltvorrichtung (7) mit dem Eingang (811) der Abgleichschaltung (8) gekoppelt ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stelleingang (61) des spannungsgesteuerten Oszillators (3) und Ausgang (41) des Schleifenfilters (4) eine Schaltvorrichtung (7) vorgesehen ist, die in einem ersten Zustand zur Kopplung des Ausgangs (41) des Schleifenfilters (4) mit dem Stelleingang (61) des Oszillators (6) und in einem zweiten Zustand zur Kopplung des Ausgangs (41) mit dem Eingang (811) der Abgleichschaltung (8) ausgeführt ist.
Verfahren zum Abgleichen eines Schleifenfilters, insbesondere in einem Phasenregelkreis, umfassend die Schritte: – Vorsehen eines Schleifenfilters, das zumindest einen Ladungsspeicher und eine Filtercharakteristik aufweist; – Zuführen eines Ladestroms an das Schleifenfilter; – Erzeugen einer Referenzspannung; – Vergleichen einer am Ausgang des Schleifenfilters abgegebenen Spannung mit der Referenzspannung; – Erzeugen eines Signals, wenn die abgegebene Spannung die Referenzspannung erreicht; – Ermitteln der Zeit, die seit Beginn des Zuführens des Ladestroms bis zum Detektieren des erzeugten Signals vergangen ist; – Vergleichen der ermittelten Zeit mit einer Referenzzeit; – Verändern der Filtercharakteristik des Schleifenfilters in Abhängigkeit eines Ergebnisses des vorangegangenen Vergleichens.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bestimmens der Zeitdauer die Schritte umfasst – Erzeugen einer Referenzspannung; – Vergleichen einer am Ausgang des Schleifenfilters abgegebenen Spannung mit der Referenzspannung; – Ermitteln des Vergleichswertes nach einer bestimmten Zeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Veränderns der Filtercharakteristik die Schritte umfasst: – Verändern der Zeitkonstante für den Ladevorgang des zumindest einen Ladungsspeichers durch: – Hinzu- oder Wegschalten von Ladungsspeichern zum Verändern der Ladezeit oder – Verändern eines den Ladestrom vorgebenden Verbrauchers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Veränderns der Filtercharakteristik die Schritte umfasst: – Erhöhen der Zeitkonstante für den Ladevorgang, wenn die Ladezeit geringer als die Referenzzeit, oder die am Ausgang des Schleifenfilters abgegebene Spannung geringer als die Referenzspannung ist; – Verringern der Zeitkonstante für den Ladevorgang, wenn die Ladezeit größer als die Referenzzeit, oder die am Ausgang des Schleifenfilters abgegebene Spannung größer als die Referenzspannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, weiter gekennzeichnet durch den Schritt: – Entladen des zumindest einen Ladungsspeichers nach Bestimmung der Zeitdauer; – Wiederholen des Verfahrens mit der veränderten Filtercharakteristik.